1 引言
数控加工技术的深入研究，特别是网络CAD/CAM的发展，自动化、集约化、具有高精度、高效率、高柔性和低消耗等性能已成为当前许多中小企业设备发展的重要方向。虽然国内外已经研究了不少的CAD/CAM软件，但多数属于通用系统，价格昂贵，信息输入量大，配置要求高，并不适用于中小企业和院校加工设备的需求，主要原因是：
由于CAD、CAM是从生产过程的不同侧面分别研究发展起来的，不能用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动。
系统的自动化、智能化程度不高，工程数据库模型过于简单。
不同企业采用的应用系统产生的信息格式不一致，目前CAD/CAM应用系统一般不直接支持网络化制造。
因此，走CAD/CAM集成之路，开发有针对性的自动编程系统，具有显著的经济意义和实用价值。适应市场需求，开发针对性的专用数控系统是当前数控系统发展的一个重要方向，比如注塑模数控系统、数控冲床加工系统等。回转类零件CAD/CAM集成系统是开放式数控系统应用软件中的重要部分，它要求可以完成轴类零件的结构设计、工艺规划、数控编程、数控程序加工仿真等任务。程序可以打包成一个独立的软件包，嵌入数控机床中。本项目中以华中数控和西门子数控车为对象，在深入研究其结构和加工特点的基础上探讨新的CAD/CAM集成系统的基本架构、主要功能和关键技术。本课题的研究有两个主要优势：(1)建立CAD/CAM一体化的制造信息模型，并进行制造过程规划研究，包括工序规划、加工参数确定、走刀路径规划等，为研究与开发适合中小企业应用的专用CAD/CAM系统提供关键技术解决方案；(2)面向网络化制造的发展，研究基于XML的零件信息模型和工艺规划的定制描述文件，以解决异构企业间工程信息的交流问题，并体现目前先进制造技术的研究发展方向。
2 系统体系构架
由于本系统是面向中小企业和院校教学定制开发的。要求系统操作简便、界面友好、具有良好的开放性；体积小、结构简单、易于根据客户需求增加各种固定加工模式等功能定制；系统生产成本低、所需投资小。
本系统的设计运用原型化的软件开发方法，客户从一开始就可以看到系统的框架模型。与目前软件不同的是，客户对软件的操作完全按照零件通常的加工工序，先选择毛坯，再对毛坯粗精加工，直到生成零件。即从毛坯零件的设计开始就考虑制造信息的需求，将从设计到加工的实际工艺过程简洁而有效地融合在一个平台上，形成了一个独立的直接面向实际加工过程的软件包。各模块间的结构可按树形方式，待各模块分别调试结束后，组合具体CNC系统控制程序时，只需根据CRT提示，以菜单形式根据不同的运动方式、控制方式及系统特性，进行模块选择及置入所需参数，由所选模块与输入参数自动组合，以生成开放型CNC的系统控制软件，从而实现对多个数控机床进行控制。
3 系统的接口设计
本项目基于网络的大规模通讯技术，在数控加工远程监控系统中，采用的是TCPfIP的网络体系结构。该体系结构把计算机网络分为三层，即：设计层、仿真层、NC加工层。
接口的设计主要包括三方面的设计：
iCAM系统与Pro/E之间加工仿真接口设计
加工仿真接口主要包括CNCML文件读写、Pro/E环境中零件3D模型重建和Pro/E环节中动态仿真模拟三种功能。
iCAM系统与CNCWeb服务器之间NC加工接口设计
仿真成功后，采用C/S加上B/S模式的网络结构模型，将生成的NC代码传到服务器端。该接口主要包括CNCML文件的G代码生成器和CNC系统对G代码的读取与分析器的设计与开发。此处CNC系统既是向NC机床发出指令的CNC系统软件部分，又是一个能进行信息处理与服务请求的Web服务器。
CNC-Web服务器与NC机床间通信接口设计
该接口是基于Socket技术的C/S结构，NC机床是一个个请求服务用户，CNC系统是响应请求的服务器，在服务器端由主控计算机直接操纵数控机床进行加工。两者之间基于初nsock技术开发的通信协议NCTCP来通信。服务器负责与数据库、浏览端和客户端应用程序的通信，并向浏览端提供设计界面。大量与用户设计相关的信息和数据存放于后台数据库中，通过接口将数据库里存储的各类参数与iCAM系统连接起来，这样使得在数据库中存放参数等同于存放一个图形，大大减少了存储量。一般用户并不需要直接操作数据库，而是发出请求到服务器，由服务器使用数据库访问数据对象技术，来完成对数据库中各种数据的存取与查询。
4 系统实现的关键技术
4.1 加工基元的定义和参数设计实现
加工基元(ME)，是指以加工特征为核心的有关特征几何信息和工艺信息描述的综合实体，是构成制造信息模型的基本单元。主要将实际具体加工对象抽象为加工基元，通过对ME仿真加工中所需要的工艺和加工参数进行设置，每一个加工基元都有一个基元加工工序。在加工过程中为了加工方便将相关的基元加工工序进行组合形成加土土序组，然后进行排序优化并最终形成基于ME的加工工艺链，后续的数控代码生成过程中的刀具轨迹便司以自然形成。基元的基本内容包括以下两部分。
设计信息(几何信息)：加工基元的几何特征尺寸，该基儿在零件中的位置尺寸，关联推出基元特征型面关键点坐标(生成加工轨迹用);
制造信息(工艺信息+加工资源)：加工精度(precision)、表面粗糙度(roughness)、尺寸公差(tolerance)、加工机床、选用刀具、材料信息、特殊工艺等等。
用户在界面中生成二维毛坯的参数化图形后，首先，在加工基元类型下拉框选择想要加工的具体对象，诸如：外圆、内圆、端面、车槽、螺纹和压花等，然后通过鼠标在绘图区点选具体加工对象的二维投影线并设置加工参数，比如加工总余量、加工精度和表面粗糙度等；用户通过加工参数设置按钮让系统自动识别具体加工对象，从而进入相应的加工参数设置对话框，完毕后进行加工基元排序优化并将最后工艺路线存储成定制工艺文件。
4.2 基于XML的CNCML文件存储和传输
在直接通过NC代码来驱动仿真加工过程的数控仿真系统中，NC代码的解析处于系统的核心地位。然而各种NC代码之间的差异给系统的通用造成巨大的困难，系统各个模块的工作严格依赖于特定的NC代码格式，也使得系统难以扩展与变更。本系统在定义加工基元的基础上，通过定制零件加工工艺参数最后将该系统自动保存为统一文件格式CNCML文件，该文件格式不仅用来存储设置的参数信息而且在对外接口的相互通信中，形成一种通用的网络信息交换格式。后处理模块的一项主要功能就是要向华中具体型号CNC系统提供标准的NC代码文件，以供华中CNC系统读取、解析并翻译成驱动信号、伺服信号等指令来驱动NC机床进行加工活动。实现流程。
生成CNCML的程序结构模型树表示：由四个子根元素组成，其中header子根主要包含文件信息描述(文件名称、日期等)，零件信息(材料选择，坐标等)及机床信息三部分；body子根是程序的主干部分，由一个或多个加工基元组成的加工基元工序组(Setup)。一个零件的加工工序由一个或多个加工工序组优化组合而成，相关的加工基元为一个加工工序组。主要由基元自身信息、切削用量信息及刀具信息组成。
为了简化整个CNCML文件的大小和信息交换的快捷性，同时利用xML文件强大的信息检索功能，将CNCML中的工具参数(tool_para)子项提取出来另建立刀具的XML文件-NC_tool子程序和机械公差查询NC tolerance子程序。NC_tool定义了车削加工中所常用的刀具类型，包括轮廓刀具、车中心孔刀具、车槽刀具和车螺纹刀具等。NCtoleranCe定义现有尺寸公差与形位公差的查询。CNCML可以通过调用刀具索引号或公差等级，来得到相关的参数信息。
5 原型系统
本系统是基于VC++、OpenGL开发的，具有以下主要功能模块。
5.1 CNC预处理模块
系统进行NC仿真加工的先行参数和指令设置环节，它主要完成用户交互式从毛坯到零件二维模型的智能创建和加工基元(Manufacturing Element)工艺及其加工参数的设置并在此基础上完成定制工艺文件的输出和定制华中数控代码文件的生成。它主要包括毛坯参数设置子模块和加工基元工艺参数设置子模块两大部分。
5.2 CNC后处理模块
该模块是定制华中CNC系统标准NC文件的重要环节，在该模块将提取工艺文件中的刀位参数并设置成与华中CNC系统相一致的NC代码生成参数，并最终产生定制代码文件，供CNC协同模块及其它后续环节使用。后置处理过程是关系到数控代码成功与否的关键环节，其参数设置决定着具体功能代码实现。由于后置处理所产生的文件是XML格式的CNC工艺文件，因此其文件生成必须符合XML标准格式要求且内容具备CNC标准代码要求。
5.3 CNC协同和CNC监控模块
通过服务器提供数字化服务，包括数控程序在线编制功能、培训和技术咨询、协同故障诊断等，同时能够实施实时监控。实现对加工参数的优化。
最后实现的界面。
6 结论
该系统通过本院的西门子系统测试，系统通过定制生成的G代码不需要任何后处理，可以直接传入机床进行干涉校验加工二
本文中所述系统不仅具有很好的轴类零件设计和工艺处理能力，而目工艺规程定制过程中体现出加工基元工艺自动优化，生成的NC指令可靠、效率高。
在CAM系统中，将DNC技术与数控系统的通讯技术相结合，实现了设备的网络化管理和生产的自动化监控，可面向网络化制造拓展。
界面简单、易操作和智能化，自动生成零件外形。操作人员无需具有丰富的工艺知识就能掌握，经济、实用、高效，有利于向中小企业推广。
